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1、 倡 教育部博 士点专 项基 金（）和河 南省 科技攻关项 目（）资助 倡倡 通讯作者 收稿日期 ：唱唱 改回日期 ：唱唱 堆肥过程中的微生物研究进展 倡 牛俊玲 高军侠 李彦明 李国学 倡倡 （畅 郑州航空工业管理学院资源与环境研究所 郑州 ；畅 中国农业大学资源与环境学院 北京 ） 摘 要 堆肥是由群落结构演替非常迅速的多个微生物群体共同作用而实现固体废物资源化 、无害化的动态过 程 。 本文在综合国内外文献资料的基础上 ， 结合本实验室的研究工作 ， 从堆肥过程中微生物群落的演替 、有机物降 解菌的选育应用 、变性梯度凝胶电泳（DGGE）在堆肥微生物研究中的应用等方面介绍了现代堆肥过程中
2、微生物研 究的进展及存在问题 ， 并且指出堆肥过程中微生物菌系组成变化复杂和实验手段有限是限制本研究的主要因素 ， 今后应重视利用分子生物学方法进行微生物的研究工作 ， 并根据微生物之间的协同关系有目的地构建降解多种有 机废弃物的高效稳定复合菌系 ， 以适应复杂的堆肥环境 。 关键词 堆肥 微生物 有机物降解 纤维素降解菌 有机污染物降解菌 变性梯度凝胶电泳 Evaluation of the role of microorganisms in compostingNIU Jun唱Ling ，GAO Jun唱Xia ，LI Yan唱Ming ，LI Guo唱Xue （ Institute of
3、 Resources and Environment ，Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management ，Zhengzhou ， China ； College of Resources and Environment ，China Agricultural University ，Beijing ，China） ，CJEA ， ， （） ： Abstract Composting is a dynamic and delicately coordinated process of rapid successive actions
4、 of a number of microbial colonies Through analysis of large volumes of information and field research ，this article introduced the development and research setbacks in microorganismic composting process The succession of microbial community ，selection and application of organic material microorgani
5、smic biodegradation and application of denaturing gradient gel electrophoresis （DGGE） were used to study microbes in composting The main restricting factors were experimentation method and complexity of microbial colonies It is concluded that emphasis should be placed on the utilization of molecular
6、 biological methods in studying composting ， and also on highly efficient ， complex and stable microbial communities to degrade more than one kind organic material Microbial community should be selected and constructed based on relationships among microbes to en唱 hance adaptability to the complex co
7、nditions of composting in order to attain community dominance Key words Composting ，Microorganism ，Organic material degradation ， Cellulose唱degradating microbe ，Organic pollutant唱 degradating microbe ，Denaturing gradient gel electrophoresis （Received April ， ； revised Sept ， ） 随着人类社会的发展 、 科学技术的进步 ，人
8、们越来越认识到资源和环境对人类的重要性 。 有机固体废 物潜在的利用价值也开始为人们所认识 ， 这不仅在于其蕴藏着大量的能源物质（C 素） ，也在于其拥有丰富的 作物所需营养物质（N 、P 、K 和微量元素） 。 堆肥化过程是地球表面生态过程的一部分 ， 地球表面残留的枯枝 落叶 、杂草 、 树皮和其他半固体的有机物不断分解后再进一步参与到物质和能量的循环中 。 现代的堆肥化 就是在人工控制下 ， 在一定的水分 、 CN 比和通风条件下 ， 通过微生物的发酵作用 ，将有机固体废物（包括农 业废物 、 污泥和城市生活垃圾等）转变为腐殖质含量丰富 、对环境不构成危害的有机肥料的生物化学处理 过程
9、。 为加快有机固体废物的降解速度 ， 提高堆肥的腐殖化程度 ，近年来国内外学者对堆肥过程微生物现象 进行了一系列理论和实践的研究 。 但由于堆肥中的微生物菌系复杂 ，在整个过程中的菌种组成变化较大 ， 用常规的实验方法和手段难以完全认识 ，所以极大地限制了对这方面的研究 。 本文根据国内外研究报道 ， 结合本实验室的研究工作 ， 从堆肥化过程中微生物群落的演替 、有机物降解菌的选育应用 、变性梯度凝胶电 泳（DGGE）在堆肥微生物研究中的应用等方面介绍了现代堆肥化过程中微生物研究的进展及存在问题 ，并 第 卷第 期中 国 生 态 农 业 学 报Vol No 年 月 Chinese Journa
10、l of Eco唱Agriculture Nov ， 且指出堆肥化过程中微生物菌系组成变化复杂和实验手段有限是限制本研究的主要因素 ，今后应重视利用 分子生物学方法进行微生物的研究工作 ， 并根据微生物之间的协同关系有目的地构建降解多种有机废弃物 的高效稳定复合菌系 ， 以适应复杂的堆肥环境 。 1 堆肥中的微生物生态学过程 堆肥是由群落结构演替非常迅速的多个微生物群体共同作用而实现的动态过程 ，是微生物与其周围环 境（包括有机物 、 CN 、 温度 、水分 、 pH 和通气量）相互影响和相互作用的结果 ，所以对该过程微生物生态学过 程进行监控有利于有效地管理堆肥过程 。 许多早期研究用传统的
11、培养基培养方法分别描述堆肥过程中细 菌 、 真菌 、放线菌的变化情况 。 指出细菌总数的变化是高唱低唱高变化趋势 ，高温期的细菌种类少于其他时期 ； 真菌数在整个堆肥过程中一直呈下降趋势 ；而放线菌数虽然比细菌总数约低两个数量级 ，但其变化规律与 细菌非常相似 ，也呈高唱低唱高的趋势 。 说明腐熟后的堆肥腐殖质含量丰富 ，CN 比低 ，细菌 、放线菌含量很 高 ， 施入土壤可增加土壤中的微生物数量 ，促进土壤微生物活性 ， ， 。 用传统方法分离 、描述堆肥中的各种 微生物 ， 最大缺陷在于不能了解难培养的微生物菌种 ，而这些难分离培养的微生物很可能在堆肥过程中起 主导作用 。 尤其在易利用物
12、质已消耗完的堆肥过程后期 ，可能存在那些不能或不可培养的微生物 。 如厌氧 嗜热菌比较难培养 ， 但即使是好氧堆肥过程中也不可避免地存在厌氧环境 。 因此现代分子生物学研究的手 段与方法在微生物生态学的研究中越来越多地受到重视 ， 已应用于堆肥中微生物变化的大量研究中 ， ， 。 Ishii 等 采用分子生物学中的变性梯度凝胶电泳分析法（DGGE）对堆肥过程中微生物群落的演替进 行了较详细的研究 。 研究将堆肥化过程分为 个阶段 ：常温（ d） 、高温（ d） 、冷却（ d） 、腐熟 （ d） 。 个阶段分别以不同的温度和 pH 值为明显特征 。 分析表明在常温阶段 ，堆肥物料中有高浓度 的有
13、机酸 ，尤其是乳酸 ， 此阶段出现的微生物多数是具有发酵能力的细菌 ，能快速分解易降解的有机物 ，细 胞数目迅速增多 。 在高温阶段 ， 随着 pH 值和温度升高 ，能发酵的细菌消失 ，与嗜热芽孢杆菌有关的微生物 出现 ， 这个阶段因为发生了蛋白水解 ，所以 pH 的增加可能由氨引起 ， 随着温度升高 ，水解蛋白和产氨的细菌 增加 ， 但很快消失 。 在冷却阶段出现了梭状芽孢杆菌类的专性厌氧菌 ，降解残余的复杂有机物 ， 说明在此阶 段的堆肥物料中出现了厌氧环境 。 此后的腐熟阶段出现了与节杆菌属有关的微生物 ，而这个属的大部分种 都属于土壤微生物 ， 说明堆肥过程后期的物料与土壤类似 ，属贫
14、养状态 。 由于分离困难 ，以前有关温度下降 后微生物类群的研究很少 ， Ishii 等的研究为此提供了重要信息 ，并为今后堆肥过程中的微生物分离工作提 供了有利线索 。 Sabine Peters 等 用基于小亚基 rRNA 基因剖面的单链多态性 PCR 技术检测了高温堆肥 中微生物菌群的演替规律 ， 结果与 Ishii 等的基本一致 。 2 堆肥中有机物降解菌的选育及应用 2畅1 纤维素降解菌的选育应用 随着人口的不断膨胀 ， 农业废弃物越来越多 ，包括稻草 、谷物秸秆 、水稻壳 、甘蔗渣 、动物粪便 ，日常生活 的废弃纤维产品 ， 如废纸及其他废纸产品等也不断增加 ，用这些废弃物生产肥料
15、或土壤改良剂 ， 越来越受到 人们的关注 。 由于纤维素具有水不溶性的高结晶结构 ，外围又被木质素层包围 ，而木质素的完整坚硬外壳 使其水解为可利用的糖类或细胞蛋白相当困难 。 所以深入研究并充分利用微生物对纤维素的降解作用 ，加 速木质纤维素转化为腐殖质是堆肥充分腐熟的关键 。 纤维素酶（Cellulase）是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称 。 至今 ，已有很多关于纤维素酶生产菌 的报道 ， 其中有细菌 、放线菌和丝状真菌等 ，但已报道的对纤维素作用较强的菌株多是木霉属（ T richoder唱 ma） 、曲霉属（ Aspergillus） 、青霉属（ Penicillium） 、枝顶孢霉属（ Acremonium）的菌株 。 纤维素的微生物降 解中一个重要课题就是不断选育出具有高降解功能的新菌株 。 王淑军等 研究了纤维素菌株分离筛选方 法 ， 并采用此方法成功地分离筛选出具有较高酶活性的菌株 。 纤维素生物降解中 ，因为细菌纤维素酶的活 性普遍低于真菌 ， 细菌方面的研究与真菌比相对较少 。 所以 ，至今关于纤维素酶生产菌的报道中 ，对纤维素 分解作用较强的菌株多是真菌菌株 ， 特别是 Trichoderma virde 及其近缘的菌株 ，细菌较少 。 而且它们几乎 都是以纯培养方法分离
